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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Filtereinrichtung, insbesondere
zur Filtration von Verbrennungsluft in Brennkraftmaschinen, nach
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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In
der
EP 0 450 299 A1 wird
eine Filtereinrichtung zur Filtration von Verbrennungsluft in Brennkraftmaschinen
beschrieben, die ein plattenförmiges, zickzackförmig gefaltetes
Filterelement in einem Filtergehäuse
umfasst. Die zu reinigende Rohluft wird dem Filterelement im Filtergehäuse zugeführt und durchströmt das Filterelement,
wobei Staub- und Wasserpartikel in den Falten des Filterelementes ausgesondert
werden. Die Reinluft wird in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine
geleitet.
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Insbesondere
bei feuchter Witterung kann die aus der Umgebung zugeführte Verbrennungsluft einen
hohen Feuchtigkeitsanteil enthalten, der an dem Filterelement abgeschieden
wird. Eine Durchfeuchtung des Filterelementes kann jedoch zu Beschädigungen
des Filtermaterials und zu Beeinträchtigungen der Filtrationsleistung
führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven
Maßnahmen
eine Filtereinrichtung mit dauerhaft hoher Filtrationsleistung zu schaffen.
Dies soll vorteilhafterweise auch mit einer Verbesserung der akustischen
Verhältnisse
einhergehen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche
geben zweckmäßige Weiterbildungen
an.
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Die
erfindungsgemäße Filtereinrichtung,
die zur Filtrierung von gasförmigen
Fluiden, insbesondere von Verbrennungsluft in Brennkraftmaschinen
verwendet wird, weist ein schlauchförmiges Filterelement auf, welches
radial von dem zu reinigenden Fluid durchströmt wird. Dieses schlauchförmige Filterelement
ist in einem Leitrohr angeordnet, das zwei Rohrabschnitte unterschiedlichen
Durchmessers aufweist. Das zu reinigende Fluid wird über den
größeren Rohrabschnitt
herbeigeführt,
wobei sich das Filterelement zumindest teilweise bis in diesen größeren Rohrabschnitt
hinein erstreckt. Des Weiteren ist im größeren Rohrabschnitt eine Dralleinrichtung angeordnet,
welche geeignet ist, dem herangeführten Fluidstrom einen Drall
aufzuprägen.
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Aufgrund
des Dralls in dem über
den größeren Rohrabschnitt
herangeführten
Fluidstrom wird dieser in Rotation versetzt, so dass die schwereren, im
Fluidstrom mitgeführten
Partikel durch die Zentrifugalkraft radial nach außen geleitet
werden. Im Übergang
zwischen radial größerem Rohrabschnitt zu
radial kleinerem Rohrabschnitt des Leitrohres besteht eine Ringschulter,
an der die mitgeführten
und radial nach außen
geleiteten Partikel abgeschieden werden. Der von diesen Partikeln
gereinigte Fluidstrom wird anschließend in den kleineren Rohrabschnitt
geleitet und schließlich
aus der Filtereinrichtung abgeleitet.
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Der Übergang
von größerem zu
kleinerem Rohrabschnitt stellt eine konstruktiv sehr einfach zu realisierende
Anschlag- bzw. Prallfläche
dar, welche zur Abscheidung der Feuchtigkeits- und Schmutzpartikel
aus dem Fluidstrom genutzt werden kann. Die abgeschiedenen Partikel
können
anschließend
aus dem Leitrohr abgeleitet werden.
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Ein
weiterer Vorteil liegt in der Verbesserung der akustischen Verhältnisse.
Die Änderung
des Durchmessers im Übergang
von kleinerem zu größerem Rohrabschnitt
hat eine zusätzliche
Schalldämpfung
und eine reduzierte Schallweiterleitung axial in Richtung des größeren Rohrabschnittes
zur Folge, so dass insgesamt ein geringerer Geräuschpegel erreicht wird. Darüber hinaus
wird eine weitere Verbesserung erreicht, indem das kleinere Rohr
ein Stück weit
in das größere hineinragt.
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Der Übergang
von größerem zu
kleinerem Rohrabschnitt kann sprungartig erfolgen, in diesem Fall
ist der Übergang
als scheibenförmige
Platte mit ausschließlich
radialer Ausrichtung ausgebildet. Alternativ hierzu ist es aber
auch möglich,
in Achsrichtung einen kontinuierlichen bzw. schrittweisen radialen Übergang
zwischen den Rohrabschnitten zu schaffen. Hierbei kann es insbesondere
auch zweckmäßig sein,
im größeren Rohrabschnitt
zunächst eine
radiale Erweiterung auszubilden, die sich im weiteren Verlauf in
Richtung kleinerer Rohrabschnitt radial so weit verjüngt, bis
der Durchmesser des kleineren Rohrabschnittes erreicht ist. Die
radiale Erweiterung hat die Funktion einer Aussackung zur Aufnahme
und Ablei tung der im Fluidstrom mitgeführten, schwereren Partikel,
insbesondere der Wassertröpfchen.
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Das
schlauchförmige,
axial angeordnete Filterelement erstreckt sich zweckmäßig axial
mit einem Teil in den größeren Rohrabschnitt
und einem Teil in den kleineren Rohrabschnitt. Auf diese Weise wird der Übergang
zwischen den Rohrabschnitten überbrückt. Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführung
ist der Durchmesser des Filterelementes kleiner als der Innendurchmesser
des kleineren Rohrabschnittes, so dass zwischen äußerer Mantelfläche des
schlauchförmigen
Filterelementes und Innenmantel des kleineren Rohrabschnittes ein
Ringraum für
das Fluid gebildet ist. Bei einer Anströmung des Filterschlauches radial
von außen
nach innen wird daher das über
den größeren Rohrabschnitt
axial herangeführte
Fluid zunächst über die
Dralleinrichtung in Rotation versetzt. Die Partikel im Fluid werden
daraufhin im Übergangsabschnitt
von größerem zu
kleinerem Rohrabschnitt vorabgeschieden und das von den groben Partikeln
vorgereinigte Fluid durchdringt radial die Wandung des Filterelementes,
und zwar zum einen axial im Bereich des größeren Rohrabschnitts, zum anderen
strömt
das gereinigte Fluid axial in den Ringraum zwischen kleinerem Rohrabschnitt
und Filterelement und dringt von dort ebenfalls radial durch die
Wandung des Filterelementes. In dieser Ausführung besteht also die Möglichkeit, dass
das Fluid sowohl im größeren Rohrabschnitt
als auch im kleineren Rohrabschnitt an der Rohseite des Filterelementes
filtriert wird, wodurch insgesamt eine größere Filterfläche zur
Verfügung
steht.
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Gemäß einer
alternativen Ausführung
kann es aber auch zweckmäßig sein,
das ungereinigte Fluid über
den Innenraum des Filterschlauches heranzuführen und zunächst an
der Wandung des Filterschlauches zu filtrieren, indem das Fluid
die Filterwandung radial von innen nach außen durchströmt. Auf
der radial außen
liegenden Reinseite des Filterschlauches wird das Fluid über die
Dralleinrichtung in Rotation versetzt, woraufhin sich die Restfeuchte
im Fluid sowie verbliebene Partikel an der Innenwandung des größeren Rohrabschnittes
bzw. einer Abscheidewand und/oder der Wandung im Übergangsbereich
von größerem zu
kleinerem Rohrabschnitt ablagern. Im weiteren Verlauf wird das Fluid
axial durch den Ringraum zwischen Innenmantel von größerem und
kleinerem Rohrabschnitt und Außenseite des
Filterschlauches abgeleitet.
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Um
den Abscheidegrad zu verbessern, ist zweckmäßig eine zusätzliche
Abscheidewand im Übergangsbereich
von größerem zu
kleinerem Rohrabschnitt vorgesehen. Diese Abscheidewand erstreckt
sich vorteilhaft axial, sie wird beispielsweise durch axiales Einragen
des kleineren Rohrabschnittes in den größeren Rohrabschnitt gebildet.
In dieser Ausführung
stellt die Abscheidewand den von dem kleineren Rohrabschnitt gebildeten
stirnseitigen Rohrstutzen dar, der axial in den größeren Rohrabschnitt
einragt. Zwischen der Außenseite
dieses einragenden Stutzens und dem Innenmantel des größeren Rohrabschnittes
ist ein ringförmiger
Abscheideraum gebildet.
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Die
Dralleinrichtung, über
die dem herangeführten
Fluid ein Drall aufgeprägt
wird, kann entweder als konstruktiver Bestandteil des größeren Rohrabschnittes
oder des in den größeren Rohrabschnitt einragenden
Filterschlauches ausgebildet sein. Im erstgenannten Fall ist die
Dralleinrichtung beispielsweise als gewellte Innenwandung des größeren Rohrabschnittes
ausgeführt,
wobei die Wellung insbesondere spiralförmig verläuft, wodurch die Erzeugung
des Dralls erheblich verbessert wird. Möglich ist aber auch, an der
Innenwandung des größeren Rohrabschnittes
ein separates, den Drall erzeugendes Bauteil vorzusehen.
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In
der zweitgenannten Ausführung
bildet die Dralleinrichtung einen Bestandteil des im größeren Rohrabschnitt
befindlichen Teil des Filterschlauches. Dies wird zweckmäßig durch
Falten in der Wandung des Filterschlauches realisiert, die insbesondere
bezogen auf die Filterschlauchlängsachse
eine schräg verlaufende
Faltenkante aufweisen, so dass axial herangeführtes Fluid aus der Achsrichtung
in Umfangsrichtung abgelenkt und hierdurch ein Drall erzeugt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematisch Darstellung einer Filtereinrichtung mit einem Leitrohr,
gebildet aus einem radial größeren und
einem radial kleineren Rohrabschnitt, wobei in dem Leitrohr ein
schlauchförmiges
Filterelement angeordnet ist, das von herangeführtem, gasförmigem Fluid radial von außen nach innen
durchströmt
wird,
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2 eine
Filtereinrichtung in alternativer Ausrichtung mit konusförmigem Filterschlauch
im Leitrohr, wobei der Filterschlauch von dem Fluid radial von innen
nach außen
durchströmt
wird,
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3 einen
Filterschlauch in Seitenansicht mit spiralförmigen Falten in der Filterwandung,
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4 eine
schematische Darstellung eines Filterschlauchs in Draufsicht mit
schematisch eingezeichnetem Verlauf der spiralförmigen Falten.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Die
in den Ausführungsbeispielen
dargestellten Filtereinrichtungen sind zur Filtrierung von gasförmigen Fluiden,
insbesondere der Verbrennungsluft von Brennkraftmaschinen vorgesehen.
Die Filterelemente in den Filtereinrichtungen bestehen bevorzugt
aus einem nachgiebigen, synthetischen Material wie Vlies auf Polymerbasis,
oder gegebenenfalls auch aus natürlichem
Material, beispielsweise auf Zellstoffbasis, und sind als verformbarer
Filterschlauch ausgeführt.
Das Filtermedium kann aber auch in sich steif ausgeführt sein
und die entsprechende Geometrie durch Einbringung von Falten erreichen.
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Die
in 1 dargestellte Filtereinrichtung 1 umfasst
ein Leitrohr 2, das als Filtergehäuse fungiert und in dem ein
schlauchförmiges
Filterelement 5 aufgenommen ist. Das Leitrohr 2 ist
zweiteilig aufgebaut und umfasst einen ersten Rohrabschnitt 3 mit
einem größeren Durchmesser
und einen zweiten Rohrabschnitt 4 mit kleinerem Durchmesser.
Die beiden Rohrabschnitte 3 und 4 sind miteinander
verbunden, so dass im Rohrinneren ein axial durchgehender Strömungsweg
gebildet ist. Die beiden Rohrabschnitte sind zweckmäßig als
separate Bauteile ausgeführt,
die durch geeignete Befestigungsmaßnahmen miteinander verbunden
werden, beispielsweise mittels einer Schnapptechnik. Gegebenenfalls
kommt aber auch eine einteilige Ausführung der beiden Rohrabschnitte 3 und 4 in
Betracht.
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Das
schlauchförmige
Filterelement 5 erstreckt sich im Inneren der beiden Rohrabschnitte 3 und 4 und
ragt axial in jeden der beiden Rohrabschnitte ein. Das zu reinigende,
gasförmige
Fluid wird wie mit den Pfeilrichtungen angedeutet axial über den
größeren Rohrabschnitt 3 herangeführt und strömt zunächst in
den Ringraum zwischen dem Außenmantel
des Filterelementes 5 und der Innenwandung des größeren Rohrabschnittes 3.
Das schlauchförmige
Filterelement 5 ist in dieser Ausführung zylindrisch ausgeführt, wobei
die Wandung des Filterelementes 5 die außen liegende
Rohseite von der innenliegenden Reinseite separiert.
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Der Übergangsbereich 6 zwischen
größerem Rohrabschnitt 3 zu
kleinerem Rohrabschnitt 4 ist als Abscheidebereich für die Abscheidung
von größeren, flüssigen und/oder
festen Partikeln im herangeführten
Fluidstrom ausgebildet. Der Übergang
zwischen den Rohrabschnitten erfolgt nicht sprungartig, sondern über eine
sich konisch verjüngende
Wandung 7 kontinuierlich, wobei diese Wandung 7 eine
Prallwand für
die axial herangeführten
Partikel im Fluidstrom bildet. Diese Prallwand kann auch in radialer Richtung
orientiert sein. Die Außenwand
des größeren Rohrabschnittes 4 ist
dieser Abscheidewandung 8 axial vorgelagert und mit einer
radialen Erweiterung 9 versehen, in der sich die Partikel
anlagern können und
aus der diese angelagerten Partikel nach außen abgeführt werden. Die radiale Erweiterung 9 kann mehrere
Stufen unterschiedlichen Durchmessers aufweisen.
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Radial
nach innen ist der Abscheideraum, der der Prallwand 7 unmittelbar
vorgelagert ist, von einer Abscheidewandung 8 begrenzt,
welche das schlauchförmige
Filterelement 5 umgreift. Diese Abscheidewandung 8 ist
Bestandteil der Rohrwandung des kleineren Rohrabschnittes 4,
der nach Art eines Rohrstutzens in den größeren Rohrabschnitt einragt. Durch
die Abscheidewandung 8, die Prallwand 7 und die
radiale Erweiterung 9 wird ein Abscheideraum begrenzt,
der axial in Richtung des herangeführten Fluidstromes geöffnet ist.
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Für eine wirksame
Abscheidung ist es zweckmäßig, den
axial herangeführten
Fluidstrom mit einem Drall zu versehen, durch den dem Fluidstrom
eine Rotationsbewegung aufgeprägt
wird. Durch die Rotation werden die mitgeführten, gröberen Partikel aufgrund der
auf sie wirkenden Fliehkräfte
radial nach außen
geschleudert, was die Ablagerung in dem Abscheideraum erheblich
verbessert.
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Zur
Erzeugung des Dralls sind eine oder mehrere Dralleinrichtungen vorgesehen,
die auf den axial herangeführten
Fluidstrom wirken. Als Dralleinrichtung kommt beispielsweise ein
wellenförmiger Wandabschnitt 10 in
der Wandung des größeren Rohrabschnittes 3 in
Betracht, wobei die Wellen 10 insbesondere Spiralform aufweisen,
was die Ausbildung eines Dralls in dem Fluidstrom erheblich verbessert.
Alternativ oder zusätzlich
zu den Wellen 10 in der Wandung des größeren Rohrabschnittes können Falten 11 in
die Wandung des zylindrischen und schlauchförmigen Filterelementes 5 eingebracht sein.
Diese Falten 11 besitzen zweckmäßig Faltenkanten mit einer
Richtungskomponente in einem Winkel zur Längsachse 12 der Filtereinrichtung,
so dass der auf die Falten axial auftreffende Fluidstrom mit einer
Komponente in Umfangsrichtung abgelenkt wird und dadurch in Rotation
versetzt wird. Eine radiale Richtungskomponente in den Falten unterstützt zusätzlich die
Ablenkung des Fluidstroms radial nach außen. Möglich ist aber auch eine Ausführung der Falten 11 in
der Wandung des Filterelements 5 in Spiralform.
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Der
Durchmesser des schlauchförmigen
Filterelementes 5 ist geringer als der Durchmesser des Innenmantels
des kleineren Rohrabschnittes 4, so dass zwischen Außenseite
des Filterelementes 5 und Innenmantel des Rohrabschnittes 4 ein
Ringraum gebildet ist, in welchem der Fluidstrom entlang strömen kann.
Die axiale Strömung
des Fluistromes in diesem Ringraum ist durch eine Begrenzungswand 13 zwischen
dem Filterelement 5 und der Innenwandung am kleineren Rohrabschnitt 4 begrenzt.
Dadurch ist das Fluid gezwungen, in dem Ringraum zwischen Filterelement 5 und
Innenmantel des Rohrabschnitts radial die Wandung des Filterelementes 5 zu durchströmen und
auf der inneren Reinseite des Filterelementes axial abzuströmen. In
die Wandung des kleineren Rohrabschnittes 4 können ebenso
wie im größeren Rohrabschnitt 3 Wellen 14 eingebracht sein,
die insbesondere spiralförmig
ausgebildet sind. Darüber
hinaus können
mithilfe dieser Wellen Auslenkungen aus der Achsrichtung, welche
das Filterelement axial vor den Wellen hat, realisiert werden.
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Im
Ausführungsbeispiel
nach 2 sind Bauteile, die mit dem Ausführungsbeispiel
nach 1 identisch sind, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das
Filterelement 5 ist im Ausführungsbeispiel nach 2 ebenfalls
schlauchförmig
ausgebildet, es weist aber im Unterschied zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel
eine konisch in Strömungsrichtung
sich verjüngende
Geometrie auf, so dass sich der Querschnitt des Filterelementes 5 in
axialer Strömungsrichtung
gesehen kontinuierlich verringert. Der noch nicht gereinigte Fluidstrom
wird axial über den
Innenraum des Filterelements 5 herangeführt, der die Rohseite darstellt.
Aufgrund der be zogen auf die Längsachse 12 schräg verlaufenden
Wandung des Filterelementes 5 tritt der Fluidstrom radial
durch die Wandung hindurch und wird hierbei einer ersten Reinigung
unterzogen. Nach dem Durchtritt befindet sich das Fluid in dem Ringraum
zwischen dem Außenmantel
des Filterelementes 5 und dem Innenmantel des größeren Rohrabschnittes 3 bzw.
des kleineren Rohrabschnittes 4, abhängig von der axialen Position
des Durchtritts durch die Wandung des Filterelementes. Die Abscheidewandung 8,
die den Abscheideraum radial nach innen begrenzt, ist wie im vorangegangenen
Ausführungsbeispiel
als Rohrstutzenende des kleineren Rohrabschnittes 4 ausgebildet,
das in das Innere des größeren Rohrabschnittes 3 einragt.
Dieser Fall hier zeigt den akustischen Vorteil, der mit der Erfindung
erreicht wird. Zwischen der Stirnseite der Abscheidewandung 8 und
dem Außenmantel
des schlauchförmigen,
konisch zulaufenden Filterelementes 5 ist ein ausreichend
großer
Durchtritt gegeben, so dass der Fluidstrom über diesen Durchtritt vom größeren Rohrabschnitt 3 axial
in den kleineren Rohrabschnitt 4 überströmen kann.
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In
beiden Ausführungsbeispielen
bewirkt der Übergangsbereich 6 zwischen
den Rohrabschnitten 3 und 4 zusätzlich zur
Abscheidung von flüssigen oder
festen Partikeln im Fluidstrom auch eine Geräuschreduzierung.
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Der
in 3 dargestellte Filterschlauch 5 weist
in der Filterwandung Falten 11 auf, die sich spiralförmig um
die Längsachse 12 winden
und somit eine Richtungskomponente in Längsrichtung des Filterschlauchs 5 auf weisen.
Diese spiralförmigen
Falten 11 verleihen dem Filterschlauch 5 eine
Verformungsmöglichkeit
sowohl in Achsrichtung, wodurch der Filterschlauch gestaucht oder
gelängt
werden kann, als auch in Radialrichtung. Zugleich weist dieser Filterschlauch
eine hohe Stabilität
auf, wodurch eine Fertigung des Filterschlauchs beispielsweise aus
einem natürlichen
oder synthetischen Filtermaterial, insbesondere auf Polymerbasis,
in Betracht kommt.
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Dargestellt
ist in 3 der Steigungswinkel σ, mit dem der Winkel zwischen
der Längsachse 12 des
Filterschlauchs 5 und einer verbindenden Geraden 15 zwischen
zwei um 180° winkelversetzten,
auf gegenüberliegenden
Umfangsseiten liegenden Faltenspitzen einer durchgehenden Falte
bezeichnet wird. Der Steigungswinkel σ liegt bevorzugt in einem Winkelbereich
zwischen 30° und
85°. Im
Ausführungsbeispiel
beträgt σ etwa 85°.
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Die
Faltenteilung b zwischen zwei unmittelbar benachbarten Falten liegt
vorteilhaft in einem Wertebereich zwischen 10 % und 50 % des Außendurchmessers
D des Filterschlauchs 5. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Faltenteilung
b knapp 20 % des Außendurchmessers
D.
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Die
Faltentiefe t, mit der der radiale Abstand zwischen dem Faltengrund
und der Faltenspitze einer Falte 11 bezeichnet ist, liegt
zweckmäßig in einem
Wertebereich zwischen 5 % und 25 % des Außendurchmessers D des Filterschlauchs 5.
Im Ausführungsbeispiel
beträgt
die Faltentiefe etwas mehr als 10 % des Außendurchmessers D.
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Wie
der schematischen Darstellung nach 4 zu entnehmen,
können
eine Mehrzahl zueinander parallel verlaufender und sich spiralförmig in der
Wandung um die Längsachse 12 windender
Falten 11 vorgesehen sein. Horizontal und vertikal sind in 4 die
einzelnen Falten mit Bezugsziffern zwischen 1 und 7 durchnummeriert,
wobei die Falten mit durchgezogenem Strich die sichtbaren, oben
liegenden Faltenkanten und die Falten mit strichlierter Linie die
zugehörigen,
auf der Gegenseite verlaufenden, dem Betrachter abgewandten Faltenkanten
darstellen. In dem Ausführungsbeispiel
nach 4 sind insgesamt sieben parallel zueinander verlaufender
und sich spiralförmig
windender Falten 3 im Filterschlauch vorgesehen.
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Die
Filtereinrichtung eignet sich insbesondere für die Filtration von Verbrennungsluft
in Brennkraftmaschinen. Es ist aber auch eine Anwendung für die Filtration
der Fahrzeuginnenraumluft oder allgemein für die Filtration in Fahrzeugen
möglich.